水泥土搅拌桩基坑支护结构性能的有限元分析

摘要

水泥土搅拌桩支护结构是在软土地区用的较多的一种支护形式，它具有不透水等诸多优越性，且使用的材料仅水泥而已，因此有着较好的经济效益，近几年得到广泛的应用。主要的计算方法有经典方法、土抗力法以及有限元法，其中三维有限元法能从整体上分析支护结构及周围土体的应力与位移性状。本文总结了前人的研究成果，建立了三维有限元模型，并结合水泥土搅拌桩的受力特性对搅拌桩支护结构的性能做了较为全面的有限元分析，研究了软土夹层对支护结构性能的影响，主要内容如下：
　　 （1）本文中的土体是采用岩土工程常用的理想弹塑性本构模型—Drucker-Prager模型。它建立在考虑静水压力的广义Mises屈服准则的基础上，D-P模型中使用的土的膨胀角这一参数能很好的反映土体的剪胀性。本文采用增量迭代法进行计算，迭代采用的是切线变刚度迭代法。利用ANSYS大型计算软件来完成本文的非线性有限元计算，考虑初始应力场，开挖卸载的过程采用生死单元的方法来进行模拟。
　　 （2）由水泥土搅拌桩的成桩原理及其性质可知，支护结构的强度虽较原土有一定的提高，但还是比较接近原土，故在本文的有限元计算中搅拌桩支护结构的本构模型也采用Drucker-Prager模型。水泥土搅拌桩与土体的分界不明显，且两者的模量等参数差别不大，故不考虑接触面单元的问题，将支护结构和土体看成一个整体，将作用在支护结构上的土压力视为这一整体的内力。
　　 （3）根据泉州某工程实例，建立三维有限元模型，按照工程实际将土分层建模，计算模型利用基坑的对称性，取一半进行计算分析。将ANSYS软件计算得到的位移结果与实测的结果进行比较，验证了本文所建立的计算模型的合理性。
　　 （4）利用以上建立的三维有限元模型对水泥土搅拌桩位移、竖向应力、剪应力等支护结构的重要指标进行了分析。包括了基本性状的分析以及地面堆载大小、堆载作用位置、支护结构宽度、基坑宽度、基坑深度、开挖速率等支护参数的影响分析，得到一系列可供实际设计施工参考的结论。
　　 （5）软土夹层对搅拌桩支护结构的性能有着显著的影响，本文利用前述有限元计算模型，分析了软土夹层的位置、厚度、土质对支护结构性能的影响。
　　 （6）软土夹层具有一定的流变性质。本文采用一种实用的计算方法，通过时变参数拟合模型中的和cφ在计算过程中随时间的变化，达到考虑土体流变特性的目的，并通过工程实例验证了的参数的合理性。进而分析了开挖完成后搅拌桩性状随时间的变化、软土夹层的流变性质对开挖步布置的影响，得到了具有实践意义的创新性结论。